|
摘要
# E% {! o3 U! w1 n半導(dǎo)體光放大器(SOA)是光通信和光電子集成芯片(PIC)中的關(guān)鍵元件。本文介紹在InP工藝平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的新型低偏振相關(guān)O波段SOA的設(shè)計(jì)、制造和特性分析。我們將介紹實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素、制造步驟和測(cè)量技術(shù)。
5 g; i9 @4 W% T, h
l5lowsy1hht64021822247.png (151.23 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
l5lowsy1hht64021822247.png
2024-9-11 13:50 上傳
$ b" v, x( S- ^4 c
簡(jiǎn)介隨著光電子集成芯片的規(guī)模和復(fù)雜性的增加,插入損耗、偏振敏感性和器件尺寸的管理變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。SOA在補(bǔ)償信號(hào)損耗方面發(fā)揮著重要的作用,但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往存在偏振依賴性高的問(wèn)題。本文介紹了使用硅基InP(IMOS)平臺(tái)開(kāi)發(fā)緊湊、低偏振敏感的SOA的方法,該SOA在O波段(1260-1360 nm)工作。
/ W8 R* x( _" @6 X該設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)包括:極低的偏振靈敏度(25 nm帶寬內(nèi)高折射率對(duì)比度IMOS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)緊湊的基底面與電子器件的密集垂直集成兼容低功耗
; m4 m( w2 s' }. J0 c; uSOA設(shè)計(jì)層疊設(shè)計(jì)SOA的核心是其外延層疊。圖1顯示了設(shè)計(jì)的疊層:" H: @0 d; U% w# A8 C8 h
wbg4aub2kce64021822348.png (152.91 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
wbg4aub2kce64021822348.png
2024-9-11 13:50 上傳
! E3 U( p+ u! E7 A( K% S圖1:O波段SOA的外延層堆棧$ k. c; a4 M5 ~
. K, R4 i( F6 }) Z8 \該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn):。50 nm)拉伸應(yīng)變(0.18%)體InGaAsP有源層有源區(qū)上下分別有單獨(dú)的約束異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層單模操作時(shí),有源區(qū)總厚度為300 nm目標(biāo)光致發(fā)光峰值在1350 nm$ E0 L$ j9 C: G
主動(dòng)層中的拉伸應(yīng)變對(duì)于降低極化靈敏度非常重要。它增加了TM材料的增益,以補(bǔ)償不對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的TM約束因子降低。
" w- S- n6 D) i& G z模式約束圖2顯示了最終SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM光模式:3 k2 F3 Z3 P& d$ D
4q0igxak2c564021822448.png (227.47 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
4q0igxak2c564021822448.png
2024-9-11 13:50 上傳
' m9 b9 J# r8 z1 v# G U
圖2:SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM模式0 E" k0 ~- G; o9 @/ [
. H/ l, u8 Y6 h" i
對(duì)于2微米寬的SOA,模擬預(yù)測(cè):
% p$ ~- a' Z4 V7 v3 T) ZTE模式的約束為11%TM模式的約束為8.5%
8 n3 n! H# z8 }/ C6 }* o% d2 m6 {
8 j! r9 O0 `0 |4 r這種約束差異可通過(guò)拉伸應(yīng)變有源層產(chǎn)生的更高TM材料增益來(lái)平衡。
; C. l; R1 t" y9 q' A* T& Q6 A7 z0 L! A' |7 U
SOA寬度優(yōu)化SOA的寬度會(huì)影響約束因子和輸出飽和功率。較寬的SOA可提供更高的飽和功率,但會(huì)降低TE和TM之間的約束因子差異,從而增加極化不敏感性的實(shí)現(xiàn)難度。
8 f8 \9 u( o j, T模擬結(jié)果表明,2μm寬的SOA能夠很好地平衡以下因素:, _" {) j: d3 B+ e3 r8 q- v$ E
對(duì)TE和TM模式都有足夠的約束11dBm的輸出飽和功率2 ]2 w% V; s1 B
3 r, y8 Z8 s* q4 j; o# r
散熱片設(shè)計(jì)高效散熱對(duì)于高性能SOA非常重要。該設(shè)計(jì)包含一個(gè)厚(>4μm)的電鍍金層,用于將熱量從有源區(qū)傳導(dǎo)至硅基板。模擬預(yù)測(cè),與不帶散熱器的設(shè)計(jì)相比,該設(shè)計(jì)可將SOA的工作溫度降低30-33°C。- K- Z& ~; l* [2 d
有源-無(wú)源過(guò)渡將SOA與無(wú)源波導(dǎo)集成在一起需要仔細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)域,以保持低損耗和偏振不敏感。這種設(shè)計(jì)采用雙導(dǎo)波導(dǎo)方法,并帶有橫向錐形SOA結(jié)構(gòu)。
@! R3 ]. n: k D: {% ?5 b: d6 X7 |. S0 H, ^
35ht0wcelgl64021822548.png (446.54 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
35ht0wcelgl64021822548.png
2024-9-11 13:50 上傳
3 {9 ~: C: H8 O' c圖3:有源-無(wú)源過(guò)渡錐形示意圖* u( ~. I* _, A% f2 f" \5 y
主要特點(diǎn):( h; @5 a/ Q0 [# l' P3 ~3 o" M
三段錐形設(shè)計(jì)(L1 = 20 μm,L2 = 20 μm,L3 = 10 μm)優(yōu)化后的錐形尖端寬度為100納米 TE和TM的耦合效率均超過(guò)95%
0 W" j, H6 D1 e; d錐形結(jié)構(gòu)逐漸降低SOA結(jié)構(gòu)的有效折射率,將光推入下面的無(wú)源波導(dǎo)。100納米的錐形尖端寬度兼顧了高耦合效率、低偏振依賴性和可制造性。( V0 R% ~3 B: h9 O5 t( k
特色工藝SOA制造工藝?yán)昧薎MOS平臺(tái)的功能。主要步驟包括:使用低壓金屬有機(jī)氣相沉積(LP-MOVPE)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)好的多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延生長(zhǎng)使用電子束光刻和干/濕刻蝕技術(shù)定義主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)沉積接觸金屬并進(jìn)行退火使用BCB粘合劑將晶圓與硅載體粘合去除襯底并加工背面特征使用BCB進(jìn)行平面化采用厚電鍍金制造散熱片[/ol], u/ h6 H& p) L! C: t- X& o0 n
圖4展示了制造流程概覽:
; n3 P" z8 F: q/ q$ y1 N7 Z
vynwepvaxcf64021822648.png (195.55 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
vynwepvaxcf64021822648.png
2024-9-11 13:50 上傳
' a5 n" ~& ^" V0 ? p. Y圖4:關(guān)鍵制造步驟示意圖
* B, m1 j e4 i6 y- D; Y表征方法實(shí)驗(yàn)裝置圖5展示了用于表征已制造SOA的測(cè)量裝置. G3 {5 T l) d" _ \
gm3kptozq1564021822749.png (248.01 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
gm3kptozq1564021822749.png
2024-9-11 13:50 上傳
& O* D0 U% B/ `. I圖5:SOA表征實(shí)驗(yàn)裝置' n5 D b0 t& b8 o
關(guān)鍵組件帶偏振控制的可調(diào)諧激光源用于電流注入和射頻調(diào)制的偏置T型用于敏感測(cè)量的鎖相放大器光譜分析儀和功率計(jì)
8 Z. T1 ^, O d6 N2 ]透射電流測(cè)量
- [- ~. Q/ N7 U( I4 s$ o4 i9 w透射電流是SOA從凈吸收到凈增益的過(guò)渡,是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)量透射電流的方法是,在偏置電流掃描時(shí),檢測(cè)SOA對(duì)調(diào)制光輸入的電響應(yīng)中的最小值。: ~1 T$ \3 J% r# j. l" Z
增益和偏振相關(guān)增益測(cè)量增益是通過(guò)比較透明時(shí)的輸出功率與較高偏置電流時(shí)的輸出功率來(lái)計(jì)算的。偏振相關(guān)增益(PDG)是TE和TM增益之間的差值。
4 [& v; H9 X0 D6 e噪聲特性主要的噪聲指標(biāo)包括:
* | ?2 }5 |& S" k' s- E放大自發(fā)輻射(ASE)光譜噪聲系數(shù)(NF)光信噪比(OSNR)
+ ]" x1 U) E, B$ B/ i/ i8 |; N噪聲系數(shù)計(jì)算公式如下:NF(λ) = 10 log (2ρASE λ / Ghc)其中,ρASE 是輸出噪聲功率譜密度,G 是單程增益,λ 是波長(zhǎng)。6 O& t: L$ f& {; ~" a
結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)裝置透射電流圖6顯示了TE和TM偏振的透射電流測(cè)量值:
: h" M& L) R" L5 P1 U4 Z ~
am5cod0pkdk64021822849.png (261.26 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
am5cod0pkdk64021822849.png
2024-9-11 13:50 上傳
( n- ?, u- U6 l0 V
圖6:TE和TM的透射電流與波長(zhǎng)+ l+ }6 w7 F) e, u% f+ Z
主要觀察結(jié)果:波長(zhǎng)大于1330 nm時(shí),透射電流小于11 mA由于拉伸應(yīng)變效應(yīng),TM的透射電流較低' U/ c8 a3 k$ c7 j
增益和PDG圖7顯示了測(cè)得的增益和PDG特性:4 F$ a! ~; D5 A) F! `
x3tlmih4puf64021822951.png (618.62 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
x3tlmih4puf64021822951.png
2024-9-11 13:50 上傳
% p, n5 [% g$ h# ] l v
圖7:(a)TE增益,(b)TM增益,(c)PDG與波長(zhǎng),(d)PDG與電流
# u$ ?0 x9 A( V主要結(jié)果:TE在1345 nm處的峰值增益為11.5 dB,TM在1340 nm處的峰值增益為8 dBPDG在25 nm帶寬(1317-1337 nm)內(nèi)小于1 dB在低PDG區(qū)域,最大增益為8.5 dB(TE)和7.5 dB(TM): \( [6 i' p* ]: h; }) Z
噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性:5 M7 z4 Z! U8 S
2hn5t4hdyvn64021823051.png (195.7 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
2hn5t4hdyvn64021823051.png
2024-9-11 13:50 上傳
/ u# I/ X& I7 y7 r4 G, V" |圖8:(a)ASE光譜,(b)傳輸光譜,(c)噪聲系數(shù)4 y9 G* Q* |# E6 }
亮點(diǎn):& A/ G3 K& d" X6 h& @2 K4 J2 y& ?6 l6 m
OSNR >40 dB(1 nm分辨率)1360 nm處的最低噪聲系數(shù)為6.5 dB功率效率. h: }6 H6 R6 \& U: I3 @0 {
SOA在低偏置電流下提供顯著增益:25 mA偏置電流1.8 V接觸電壓) K' W+ \/ ^& c" g
這種低功耗特性使其適用于密集的光電子集成。
! m, _* I% G1 _" t4 C9 Y* x9 v' s& z結(jié)論與未來(lái)工作本文介紹了在硅基InP平臺(tái)上設(shè)計(jì)、制造和表征低偏振敏感O波段SOA的過(guò)程。所取得的性能——低PDG、高增益和良好的噪聲特性——證明了這種方法在下一代PIC中的潛力。未來(lái)需要改進(jìn)的領(lǐng)域包括:優(yōu)化有源層帶隙,使其更好地與O波段中心對(duì)齊改進(jìn)應(yīng)變模型,以考慮制造引起的應(yīng)力提高光纖到芯片的耦合效率研究高功率運(yùn)行和非線性特性
! Z, H) s+ Q. q3 g7 T在此基礎(chǔ)上,研究人員可以開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)大的SOA,從而實(shí)現(xiàn)下一代光電子集成芯片,用于光通信和計(jì)算應(yīng)用。
( a4 `7 X9 h7 @& T0 n# {參考文獻(xiàn)[1]D. W. Feyisa et al., "Low Polarization Sensitive O-Band SOA on InP Membrane for Advanced Photonic Integration," Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 13, pp. 4531-4541, July 1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3369232.: ]- E* D$ d, h& U- O
' @7 U3 r2 L# V9 z8 q
- END -2 m' D7 m* i( a- a% L
- f7 w7 M, z( j* T7 N9 l$ c
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。: g2 J" L4 ^! g" s7 P
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng), O; F* s `/ I* f6 O/ m
& D* g8 h5 a" ^% }! k歡迎轉(zhuǎn)載
$ t. v9 w' p) u c
4 A8 X# a$ T% i% H轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!2 d q$ I, Y8 V+ |! q* O
; |: [% `, m/ Y$ h0 n" l* b5 |
1 f7 s+ ] l' [; G! R! W
, ^- e3 n4 V$ i0 F
nlglhr3a4rv64021823151.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
nlglhr3a4rv64021823151.gif
2024-9-11 13:50 上傳
v% o) C' _& h7 a w$ k( |* }" c. f/ c2 x. u1 [8 P
關(guān)注我們
! O/ ]) `# F" w. R8 n* e" ~% k' J2 K5 M
8 w& [* t, n8 \. F% M
f0n4wspqc1p64021823251.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
f0n4wspqc1p64021823251.png
2024-9-11 13:50 上傳
/ @) z. ?; `! Y! ~+ j |
4 X5 a: A9 p) Q: e
nh0tadmdvuw64021823351.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
nh0tadmdvuw64021823351.png
2024-9-11 13:50 上傳
]7 I3 o2 o/ J8 p; c/ F9 W
| " ?0 p- R3 j( F. L2 N% U* B u E7 g
351deyvn5cp64021823451.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
351deyvn5cp64021823451.png
2024-9-11 13:50 上傳
% g) j% ~8 ]% E V; d |
. O" H. C" C) ~7 n5 G3 T3 ~' c1 C& H+ G4 d6 i8 ], t1 C1 T
; I! l4 E8 h0 C8 ]4 b# q2 P; h6 z( g& p6 X# j( a! M
% O3 R# E+ x3 l3 p5 L% |" i* u( o" e
$ `2 U+ J- M8 A# L d, H, R8 [" b5 Y* O
關(guān)于我們:7 j: g5 c/ W ?
深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
W1 h6 c5 \1 G3 {% b1 W, s# {! v) A& D1 O; V o
http://www.latitudeda.com/
! V7 n1 w* p/ k/ Z# E(點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|